Не стало астрофизика Николая Кардашева
В минувшую субботу, 3 августа, на 88-м году жизни скончался академик РАН Николай Семенович Кардашев, выдающийся отечественный астрофизик, создатель и руководитель проекта «Радиоастрон», один из авторов метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, благодаря которой астрономы смогли увидеть «тень» черной дыры и заглянуть в недра квазаров. Мы расскажем о нескольких важных открытиях Кардашева, существенно повлиявших на наше понимание процессов, идущих во Вселенной.
В 1963 году Кардашев, будучи в аспирантуре у Иосифа Шкловского, с успехом защитил кандидатскую диссертацию по теме генерации синхротронного радиоизлучения релятивистскими электронами с различным энергетическим спектром.
В диссертации была рассмотрена проблема, по которой за четыре года до защиты Кардашев опубликовал небольшую, но важную статью в Астрономическом журнале. Речь идет о возможности обнаружения в радиодиапазоне рекомбинационных линий атомарного водорода на высоких уровнях.
Если мы рассмотрим разреженную межзвездную среду, то в ней в ходе процессов рекомбинации и ионизации с участием ионов и электронов могут образоваться атомы с высоким уровнем возбуждения, у которых количество уровней может достигать ста и более. В дальнейшем при переходах захваченных электронов на уровни с меньшей энергией, согласно постулатам Бора, происходит испускание фотонов, которые могут наблюдаться в радиодиапазоне, если количество атомов на луче зрения достаточно велико, а среда характеризуется низкой плотностью (иначе в игру вступит эффект Штарка, из-за которого линии размываются и ослабляются). Эти линии получили название рекомбинационных.
Наиболее распространенным элементом в межзвездной среде является водород. Возможность образования радиолиний у высоковозбужденного атомарного водорода отметил в 1952 году австралийский астроном Джон Уайлд, однако тогда он посчитал, что наблюдать их будет невозможно, так как множественные радиолинии со значениями главных квантовых чисел больше 300 будут сливаться друг с другом в непрерывный фон. Похожего мнения был и голландский астроном Хендрик ван де Хюлст.
Тем не менее Кардашеву удалось показать, что это возможно и что наиболее пригодны для наблюдений области HII — крупные туманности, содержащие ионизованный водород. Для поисков лучше всего подходил диапазон длин волн от полутора до четырех сантиметров, а целями стали яркие туманности Ориона и Омега.
В том же 1959 году, когда Кардашев опубликовал свои выводы, в Пущинской обсерватории вступил в строй 22-метровый радиотелескоп с высокочувствительным радиоспектрометром. Наблюдения, проведенные с его помощью в 1964 году, а также данные, полученные в Пулковской обсерватории, подтвердили идеи Кардашева — в спектре излучения туманности Омега были найдены радиолинии, создаваемые переходами n91 → n90 и n105 → n104 в возбужденном атоме водорода, которые через несколько месяцев немного сместились из-за движения Земли по орбите, что доказывало их космическое происхождение.
Через год эти результаты были подтверждены при помощи радиотелескопов, расположенных в США, а еще через год были обнаружены рекомбинационные линии гелия, а затем — углерода. Оказалось, что подобные наблюдения дают уникальную возможность исследовать физические условия в областях HII, холодных молекулярных облаках и планетарных туманностях, построить распределение ионизованного водорода в Млечном пути, благодаря чему можно лучше понять структуру и эволюционный путь нашей галактики.
В 1964 году Кардашев опубликовал еще одну свою значимую работу, посвященную природе радиоизлучения от различных астрофизических объектов. В ней, помимо всего прочего, он рассмотрел ситуацию гравитационного коллапса замагниченной звезды с сохранением ее магнитного момента и показал, что в результате образуется быстровращающаяся нейтронная звезда, обладающая огромным магнитным полем. Это позволяло объяснить происхождение мощного электромагнитного излучения от точечного источника в центре Крабовидной туманности (остатка сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году в созвездии Тельца). Кардашеву удалось показать, что именно нейтронная звезда, постепенно замедляясь, поставляет энергию в расширяющуюся туманность.
Таким образом, Кардашев, по сути, предсказал существование радиопульсаров и описал механизм их работы за три года до того, как они были открыты астрофизиком Джоселин Белл. Сам же пульсар в центре Крабовидной туманности был открыт в 1968 году, и наблюдения подтвердили, что мы имеем дело с вращающейся нейтронной звездой диаметром около 25 километров, которая ответственна за форму туманности, ее магнитное поле и излучение.
Помимо прочего, Николай Кардашев занимался вопросами поиска внеземных цивилизаций и установления связи с ними (проект SETI). Он входил в группу советских астрономов, которые в начале 60-х годов прошлого века организовывали практические работы по поиску сигналов внеземного разума. Благодаря ему и Карлу Сагану в сентябре 1971 года была проведена первая советско-американская конференция по проблеме SETI.
В 1964 году в свет вышла самая, пожалуй, необычная статья Кардашева, получившая название «Передача информации внеземными цивилизациями». В ней были определены параметры непрерывной изотропной широкополосной передачи от развитых цивилизаций, оптимальный диапазон волн для установления межзвездной связи (109–1011 герц), показано, как может выглядеть спектр искусственного радиоисточника.
В той же статье Кардашев выдвинул и критерии, позволяющие говорить об искусственном характере источника сигнала. Так, сигнал должен обладать очень малыми угловыми размерами, круговой поляризацией, демонстрировать изменчивость по времени, не сводящуюся к статическим флуктуациям, а спектр источника должен содержать определенные особенности, которые подчеркивали бы его неестественное происхождение.
С этими критериями была связана забавная история. Проанализировав доступные на тот момент данные наблюдений, Кардашев отметил два интересных объекта — СТА-21 и СТА-102. Эти объекты имели очень малые угловые размеры, не отождествлялись с известными оптическими источниками и обладали спектрами, похожими на искусственный. Для проверки идеи об их происхождении он предложил определить, имеет ли радиоизлучение от этих источников переменный характер. Наблюдения, проведенные в 1964-1965 годах при помощи антенн системы АДУ-1000, не выявили у СТА-21 переменность потока излучения со временем, а вот у СТА-102 наблюдались изменения потока с периодом 102 дня.
После сообщения ТАСС, несмотря на состоявшуюся в ГАИШ пресс-конференцию, на которой ученые пояснили, что переменность источника не обязательно подтверждает его искусственное происхождение, в течение нескольких дней в мировой прессе активно обсуждалась новость об открытии внеземного разума. Дальнейшие исследования этих двух объектов привели к выводу, что это квазары.
Но главное, чем запомнилась эта статья, была ныне широко известная «шкала Кардашева», в которой внеземные цивилизации делились на несколько уровней в зависимости от уровня освоения ресурсов и энергопотребления.
Цивилизация первого типа способна использовать все энергетические ресурсы, имеющиеся на ее планете, а ее технологический уровень близок к уровню, достигнутому человечеством. Уровень энергопотребления для такой цивилизации изначально оценивался в 4 × 1012 ватт, но в дальнейшем оценка изменилась. Сегодня первому типу соответствует цивилизация, чье энергопотребление соответствует всей энергии, получаемой Землей от Солнца — 1,7 × 1017 ватт. С этой точки зрения человечество до первого типа пока не дотягивает.
Цивилизация второго типа использует всю энергию своей звезды, например с помощью сферы Дайсона или другого астроинженерного сооружения, а уровень ее энергопотребления для звезды типа Солнца был бы равен 3,8 × 1026 ватт.
Наконец, цивилизация третьего типа способна овладеть энергией в масштабах всей своей галактики. Уровень ее энергопотребления оценивался Кардашевым в 1037 ватт. Условным примером такой цивилизации можно назвать Галактическую империю из вселенной «Звездных войн».
Но, пожалуй, самым важным научным достижением Кардашева можно считать развитие идеи радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ), предложенной им в 1965 году совместно с Леонидом Матвеенко и Геннадием Шоломицким.
Идея заключалась в том, что телескопы, входящие в состав интерферометра, не обязательно соединять высокочастотным кабелем, ограничивающим угловое разрешение системы. Вместо этого можно проводить независимую регистрацию радиосигнала на антеннах, разнесенных на разные континенты, а уже потом, после записи информации на носители, производить обработку данных коррелятором.
Это позволило достичь немыслимого ранее углового разрешения, которое в десятки тысяч раз превосходило разрешение оптических интерферометров. Вскоре эта идея была успешно реализована на нескольких радиотелескопах в США и Канаде, а затем и в СССР. Однако Кардашев не собирался ограничивать масштабы радиоинтерферометра размерами Земли. Он думал о космическом интерферометре с базой порядка одной астрономической единицы для решения космологических задач.
В начале 1980-х годов Кардашев начал работу над проектом «Радиоастрон», на разработку которого ушло тридцать лет. Проект стартовал в 2011 году и представлял собой комплекс из крупнейшего в мире десятиметрового космического радиотелескопа КРТ-10, установленного на аппарате «Спектр-Р», который обращался вокруг Земли по сильно вытянутой эллиптической орбите с длиной большой полуоси около 190 тысяч километров и периодом обращения около 8,3 суток, и сети наземных радиотелескопов.
Все эти телескопы образуют гигантскую систему с базой более трехсот тысяч километров, что позволило достичь углового разрешения порядка нескольких десятков угловых микросекунд — такой угловой размер имел бы спичечный коробок, находящийся на поверхности Луны. Проект оказался крайне успешным, а сам телескоп смог проработать 7,5 года вместо изначально запланированных пяти лет.
Целью исследований стали активные ядра галактик, черные дыры звездных масс, остатки сверхновых, пульсары, космические мазеры и мегамазеры, квазары и межзвездные газовые облака. Удалось рассмотреть джеты блазара BL Lac с рекордно высоким разрешением и разглядеть детали строения релятивистского джета вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики 3C84, увидеть водный мазер размером с Солнце и открыть новый эффект рассеяния радиоволн в межзвездных облаках плазмы.
В марте 2017 года было объявлено о достижении абсолютного рекорда углового разрешения в астрономии при наблюдениях водного мегамазера в галактике M 106, которое составило 8 микросекунд дуги.
Дальнейшим развитием «Радиоастрона» стал проект «Миллиметрон», над которым Кардашев активно работал в последние годы. Ожидается, что «Миллиметрон» стартует после 2027 года, когда в космос будет запущен телескоп «Спектр-М».
Александр Войтюк